第 5 章 處理器指令集

到底處理器應該提供哪些指令？ 理論上，處理器只要具備某些基本的運算功能（指令），就有足夠的能力去計算任何一個函數。 電腦結構師必須考慮： 指令太多帶來的是便利性，而非功能性。 指令太多可能衍生效率問題。 電腦結構師必須考慮： 晶片大小 消耗功率 散熱問題

指令集重點 建置處理器的運算集合是一種妥協，一種介於硬體成本、程式便利、和工程層面（比如：功率消耗）之間的妥協。

表示法 所有的硬體運算 硬體運算表示法 就是所有指令的集合，稱為指令集。 指令集定義所有指令的字義和運作規格。 意指所使用的指令語法，稱為指令格式。 先把程式轉換成可執行的指令格式，然後再交給處理器。

指令的組成部分 執行運算的操作碼 擷取數值的運算元 置放結果的位置

典型指令格式 由一序列的二進制位元所組成 通常 指令開頭是操作碼欄位 接著跟隨著運算元欄位

典型指令格式圖

指令長度 固定長度指令 可變長度指令 所有的指令長度都相同 硬體比較簡單 硬體比較快速 具有各種不同長度的指令 比較吸引程式設計師 記憶體使用較有效率

固定長度指令的重點 對程式設計師而言，使用固定長度指令的理由似乎不夠充分，然而，固定長度指令集確實讓處理器硬體比較精簡，也比較快！

通用暫存器 高速設備 處理器的一部份 暫時的儲存裝置 數量不大（<100）編號由0到N-1 長度剛好可以容納整數

浮點暫存器 容納浮點數 通用暫存器和浮點暫存器的編號都是從0開始，當指令發出暫存器編號時，很容易搞混淆。 比如：指定暫存器3和6作整數運算，處理器會擷取通用暫存器；然而，如果指定暫存器3和6是作浮點運算，則必須擷取浮點暫存器。

暫存器規劃 Z = X + Y 動作： 把X載入暫存器3 把Y載入暫存器6 把暫存器3和6的數值相加 把結果放到暫存器7

專業術語 暫存器配置 暫存器溢出 把數值放在暫存器，改善執行效能。 選擇暫存器置放數值的程序，稱為暫存器配置。 暫存器數量不夠時，會發生暫存器溢出。 為了讓新數值使用暫存器，只好把原暫存器內的舊數值，先移到記憶體。

雙精準度 兩倍原運算元的位元數 通常把暫存器視為連續的硬體 比如：使用連續的暫存器儲存雙精準度整數 一半的整數放在暫存器4 一半的整數放在暫存器5

暫存器庫 系統可以有多個暫存器庫 暫存器庫就是暫存器的集合 把某些運算元放在某個暫存器庫，利於平行處理。 硬體細節可能會影響到暫存器配置 最佳化執行效能

典型的暫存器庫策略 將暫存器分割成兩個暫存器庫 ALU可以從這兩個不同的暫存器庫，同時取出加法所需要的兩個運算元。

暫存器庫圖

程式設計師受到的影響 運算元必須放在暫存器庫 無法保證每一個指令的運算元，都來自於不同的暫存器庫。 R ← X + Y S ← Z – X T ← Y + Z

暫存器衝突 暫存器衝突：無法把運算元配置到不同的暫存器庫。 通常由編譯器或組譯器通知。 程式設計師最好重新指定暫存器、或插入指令複製數值，才能有效地控制衝突的發生。

典型指令集 CISC（複雜指令集，Complex Instruction Set Compute ） RISC（精簡指令集，Reduced Instruction Set Computer ）

CISC指令集 指令較多，往往有數百個指令。 某些複雜的計算指令可能需要一段時間執行，比如： 圖形指令在記憶體的運算動作 sine、cosine、…等計算函數 著名的英特爾Pentium，就是CISC處理器的代表。

RISC指令集 指令較少，剛好滿足數學函數計算的最低要求（比如：32個指令）。 通常一個時脈週期執行一個指令。 比如：MIPS指令集。

指令集結論 如果處理器的指令集有眾多（比如：數百個指令）且複雜（通常執行也相當耗時）的指令，則分類為CISC處理器；反之，如果指令集只有少數的指令，而且每個指令都只需要1個時脈週期的執行時間，則分類為RISC處理器。

管線執行 一種硬體最佳化技術 可以讓處理器更快速地完成一個指令 典型常見於RISC處理器

典型的指令週期 擷取下一個指令 檢視操作碼：決定需要幾個運算元 擷取每一個運算元 執行操作碼指定的運算 儲存結果到指定的位置

最佳化指令週期 RISC處理器被設計成平行的硬體單元，每個硬體單元執行一個階段，多個階段的硬體單元排列成多階管線。 管線會把結果，從目前的硬體單元 傳送到 下一個硬體單元。

五階管線執行圖

管線速度 所有階段的硬體都可以平行且獨立地運作 所有階段的硬體同時往右傳送指令 效果：N階管線可以同時執行N個指令

管線工作圖

RISC處理器和管線 雖然RISC處理器不能在單一時脈週期下，就執行完擷取−執行週期的所有階段，但是藉由平行硬體的指令管線提供幾乎相等的效能表現，一旦管線滿載，每一個時脈週期剛好會有一個指令完成。

管線技術 指令管線透通於程式設計師。 雖然如此，但是不瞭解管線技術很可能妨礙到程式設計的效能表現。 比如：如果管線項目不合，則管線硬體可能會發生指令遲滯。

指令遲滯 假設 指令K： C ← add A B 指令K+1： D ← subtract E C 以下兩個連續指令分別執行加法和減法 運算元和結果置放於暫存器A、B、C和D 指令K： C ← add A B 指令K+1： D ← subtract E C

管線遲滯現象 使用泡泡代表延遲，泡泡的出現將影響管線階段的傳輸與進行。

管線遲滯的其它原因 存取外部儲存裝置 加入協同處理器 分支到新位置 呼叫副程式

程式高速運作 少用分支指令 最好也不要在鄰接的指令後面，立刻存取結果暫存器，以避開延遲。

指令重排順序

管線重點 雖然在任何時間上，管線硬體會自動地幫助程式盡可能高速執行，然而程式設計師最好能在撰寫程式時，就開始注意並且謹慎地運用管線技術，否則指令管線硬體可能無法全速執行。

No-OP指令 大部分的處理器會提供no-op指令 no-op （不動作）指令不會影響 no-op指令通常什麼都不做，只是浪費時間而已。 資料數值 計算結果 電腦狀態 no-op指令通常什麼都不做，只是浪費時間而已。 程式設計師可以插入no-op指令，來標示這裡發生指令遲滯現象。

前遞轉送 英文稱為forwarding技術 （forward字面意義為轉送） 讓ALU預先存取上一個指令的結果，解決連續算術指令的傳輸問題。 使用硬體來進行偵測，避免遲滯。 範例： 指令K： C ← add A B 指令K+1： D ← subtract E C

運算型態

程式計數器 就是所謂的”指令指標” 專用暫存器 使用擷取−執行週期 自動擷取下一個指令位址

程式計數器演算法 指定程式計數器一個初始值，重複執行下列工作{ 擷取：從程式計數器給予的位址，抓取程式的下一個指令 由剛剛擷取的指令得知下個指令位址，並送至內部位址暫存器A 執行：執行指令運算動作 複製位址暫存器A內容給程式計數器 }

分支指令和擷取執行 絕對分支指令 相對分支指令 最典型的就是jump指令 尾隨的運算元就是位址，會載入到內部位址暫存器A 。 最典型的就是br指令 運算元是一個有號數值，會加到內部位址暫存器A 。

副程式呼叫指令 jsr指令 ret指令 類似分支指令 jsr指令會先把目前的呼叫位址，完整地儲存到位址暫存器A。 副程式的結束指令

傳遞引數 有多種傳遞引數的方式 比如： 使用記憶體來傳遞引數 使用通用暫存器來傳遞引數 使用專用暫存器來傳遞引數

暫存器視窗 最佳化引數傳輸方式 在任何時間點，處理器只能看到一小部分的暫存器，稱為視窗。 每執行一個副程式，硬體會自動加入一個對應的視窗，等到副程式結束後，才會收回該視窗。 視窗之間可以出現重疊現象 重疊暫存器正是呼叫程式置放引數的地方 呼叫程式可以看見的重疊暫存器，副程式也可以看見。

暫存器視窗圖

MIPS指令集範例 MIPS處理器廣泛地應用在嵌入式系統 MIPS指令集是RISC處理器中最經典的範例

MIPS指令集

MIPS指令集（Cont.）

MIPS指令集（Cont.）

最小化指令集 最基本的指令集必須精簡，以保證高速運作。 不需要太多指令，只要具有最必要的基本指令即可。

正交原則 正交原則指出：每一個指令都只執行唯一的任務，再也沒有其它指令具備相同或類似的功能，來完成這個任務，也就是說，正交原則可以避免出現多個重複功能的指令，強化精簡觀念。

條件碼 內部的硬體機制 ALU會主動地設定條件碼 分支指令可以根據多個條件位元進行測試，並且根據這些測試的結果，來決定是否要作分支動作。

條件碼範例